Моделирование системы отопления и вентиляции Воскресенского собора методом CFD

О проекте

  • Моделирование системы отопления и вентиляции Воскресенского собора методом CFD
  • РПЦ
  • Строительство
  • 2016 год

Моделирование системы отопления и вентиляции Воскресенского собора методом CFD

В последнее время наблюдается тенденция роста объемов реконструкции и нового строительства храмов. Важное место при этом занимает обеспечение требуемого микроклимата этих сооружений. В процессе проектирования систем отопления и вентиляции проектировщику приходится сталкиваться с рядом особенностей, которые необходимо учитывать для достижения необходимых параметров микроклимата.

В прошлом долгое время в России комплекс из летнего и зимнего храмов считался едва ли не единственным решением. Сегодня монастырские богослужения совершаются в соборах круглый год. Но для того, чтобы переоборудовать «сезонный» храм под круглогодичное использование, требуется особое внимание к техническим деталям. В первую очередь, необходимо повысить тепловую устойчивость ограждающих конструкций церковного здания, снизить неконтролируемую фильтрацию воздуха, нормализовать естественный воздухообмен и обеспечить оптимальные параметры температуры и относительной влажности воздуха в отапливаемых зонах и помещениях здания. Для круглогодичного использования собора в системе отопления нужно предусмотреть возможность регулирования температуры воздушной среды в зимний период в диапазоне от +5С до +16С.
Цель проекта заключалась в выполнении поверочных расчетов температурно-влажностных режимов Воскресенского собора, расположенного в г. Арзамас, Нижегородская область, и находящегося сейчас на реставрации, для подтверждения эффективности спроектированной системы отопления и вентиляции.

Проверить эффективность такой системы можно только по факту эксплуатации, что занимает несколько сезонов. Единственный вариант, обеспечивающий экономию времени и ресурсов – моделирование. В данном случае оптимальным решением было использовать технологии вычислительной гидродинамики (CFD-моделирование).

При выборе оптимальных параметров температуры и относительной влажности воздуха необходимо было обеспечить минимальное изменение влагосодержания штукатурного грунта, красочного слоя стенописи, красочных слоев икон и пр. Постоянные сквозняки и перепады температуры, холодный воздух с улицы в сочетании с жаром свечей и лампад могут очень быстро погубить стенопись и повредить внутренний слой ограждающих конструкций. А для круглогодичного использовании здания собора необходима возможность регулирования температуры воздушной среды в зимний период в диапазоне от +5С до +16С.

Организация распределения воздуха в большом объеме собора с разнообразными архитектурными элементами разного масштаба представляет собой сложную инженерную задачу. Из-за сложного характера формирующегося течения достоверное прогнозирование поведения воздушных потоков становится невозможным без привлечения методов численного моделирования распределенных параметров микроклимата. Такой подход позволяет получить распределение температуры, влажности, скорости воздушных потоков, концентрации углекислого газа по объему помещения вне зависимости от сложности геометрии, распределения источников тепла и влаги.

Для численного моделирования сложного смешанно-конвективного течения в объеме собора использовался газодинамический решатель Ansys Fluent. Моделирование было выполнено для теплого и холодного периодов года. В ходе математического моделирования также исследовалось течение, формирующееся при режиме сквозного проветривания.

Для проведения расчета в сеточном препроцессоре Fluent Meshing была построена конечнообъемная расчетная сетка на основе полиэдральных элементов размером 8–10 млн. ячеек, с измельчением в местах дверных и оконных проемов и источников тепловыделений (радиаторов). Пространственное разрешение поверхностной расчeтной сетки варьировалось от 10 мм до 1000 мм. Размер элементов в объеме был задан фиксированным – 800 мм. Для каждого безразмерного критерия качества сетки был выдержан приемлемый диапазон значений, что важно для обеспечения точности расчета.

Внешний вид конечнообъемной сетки и CAD-модели расчетной области
Рис. 1. Внешний вид конечнообъемной сетки и CAD-модели расчетной области

Как показали результаты моделирования, спроектированная система отопления обеспечивает комфортные параметры воздушной среды в летний период: средняя температура воздуха на разной высоте составляет 15°С–17°С, подвижность 0,2м/с–0,6 м/с.

Летний период. Распределение температуры воздуха вблизи стенок собора: а) Изометрия; б) Вид сверху
Рисунок 10. Летний период. Распределение температуры воздуха вблизи стенок собора: а) Изометрия; б) Вид сверху

Неблагоприятная ситуация складывается в зимний период года. Результаты расчета показали, что спроектированная система отопления не способна компенсировать суммарные тепловые потери через строительные конструкции и обеспечить необходимый температурно-влажностный режим в здании. В зимний период средняя температура воздуха в объеме собора существенно понижена и находится вне комфортных и безопасных для сохранности стенописи и красочного слоя икон значений.

Чтобы компенсировать теплопотери, было предложено установить дополнительные 8 радиаторов в центральной части храма суммарной производительностью 32–36 кВт. Также важно отметить необходимость установки дополнительных наружных/внутренних дверей для создания «тамбура», затрудняющего поступление холодного наружного воздуха с улицы в зимний период времени.

Для проверки эффективности принятого решения было выполнено дополнительное моделирование температурно-влажностного режима собора. Результаты моделирования подтвердили правильность и рациональность предложенных мероприятий по усовершенствованию системы отопления для достижения необходимых параметров воздуха в соборе в зимний период, а именно: они подтвердили целесообразность установки дополнительных радиаторов в центральной части собора в районе четырех центральных колонн в количестве 8 штук и суммарной мощностью 36 кВт. Средняя температура воздуха в помещениях собора после установки дополнительных радиаторов выросла до значений в диапазоне от 10 до 15°С (в зависимости от высоты).

Система «теплый подоконник» не подтвердила своей эффективности и было предложено отказаться от ее использования с учетом последовательной схемы подключения «подоконников».

Есть подобная задача? Звони!

Позвоните нам

+7 (495) 644-06-08

Напишите нам

info@digitaltwin.ru

Часы работы

Пн-Пт 9:00 – 18:00

Другие проекты

Отправить сообщение

    Свяжитесь с нами

    Позвоните нам

    +7 (495) 644-06-08

    Напишите нам

    info@digitaltwin.ru

    Часы работы

    Пн-Пт 9:00 – 18:00